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A conexão entre buracos negros e o Big Bang: por que o colapso de um buraco negro pode mudar nossa compreensão do universo?
No início do universo, buracos negros de colapso direto (DCBHs) podem ter sido uma origem fundamental dos buracos negros supermassivos. Essas sementes de buracos negros de alta massa são formadas pelo colapso direto de grandes quantidades de matéria e especula-se que tenham se formado na faixa de desvio para o vermelho z = 15 a 30, quando o universo tinha cerca de 100 a 250 milhões de anos. Ao contrário das sementes de buracos negros que se formam a partir da primeira geração de estrelas (a chamada geração populacional de três estrelas), esses buracos negros de colapso direto se formam por meio de instabilidades relativísticas gerais diretas. Sua massa típica pode atingir cerca de 105 M☉. Esta classe de sementes de buracos negros foi proposta teoricamente pela primeira vez para resolver o desafio da existência de buracos negros supermassivos em redshift z~7, o que foi confirmado por muitas observações.
Buracos negros de colapso vertical são formados por uma combinação única de condições físicas ambientais que raramente são encontradas simultaneamente.
Mecanismo de formação
A formação de um buraco negro de colapso direto envolve diversas condições ambientais importantes que promovem o colapso direto do gás em vez da formação de um aglomerado de estrelas. Primeiro, o gás deve estar livre de metal (ou seja, conter apenas hidrogênio e hélio), segundo, deve ter um efeito de resfriamento atômico e, finalmente, deve haver um fluxo de fótons Lyman-Wierth de intensidade suficiente para destruir as moléculas de hidrogênio, que são refrigerantes a gás muito eficazes. Se o processo de resfriamento desses gases não puder ser interrompido, a nuvem de gás sofrerá colapso gravitacional e atingirá uma densidade de massa extremamente alta de cerca de 107 g/cm³. Nessas densidades, os objetos experimentarão instabilidades relativísticas gerais, levando à formação de buracos negros com massas tipicamente de até 105 M☉, ou até mesmo de até 1 milhão de M☉.
Esses objetos colapsam diretamente das nuvens de gás primordiais, sem passar por um estágio estelar intermediário, e são, portanto, chamados de buracos negros de colapso direto.
Uma simulação de computador recente relata que fluxos de acreção poderosos e frios em concentrações raras podem formar essas sementes de buracos negros sem a necessidade de um fundo ultravioleta ou fluxos supersônicos, ou mesmo resfriamento atômico. Nesta simulação, foi somente quando a massa do bárion atingiu 40 milhões de massas solares que a gravidade finalmente superou a turbulência e a estrela simplesmente entrou em colapso para formar duas estrelas supermassivas, que eventualmente se tornaram buracos negros de colapso direto com massas de 31.000 e 2.000, respectivamente. . e 40.000 M☉.
Número de buracos negros de colapso vertical
Apesar do importante valor teórico dos buracos negros de colapso direto, os cientistas geralmente acreditam que eles são relativamente raros no universo de alto desvio para o vermelho porque é muito desafiador atender simultaneamente às três condições básicas necessárias para sua geração. Simulações cosmológicas atuais preveem que no desvio para o vermelho 15 há, em média, apenas um buraco negro de colapso direto por gigapascal cúbico. Dependendo de diferentes suposições, o número de buracos negros de colapso direto previsto pode chegar a 107 por gigapascal cúbico, mas isso exigiria um fluxo de fótons de Lyman-Wierth extremamente alto.
Isso também gera expectativas para observações futuras, especialmente as observações do Telescópio Espacial Zhang Xianwang, que serão fundamentais.
Detecção e descoberta
Em 2016, uma equipe liderada pelo astrofísico da Universidade de Harvard, Fabio Pacucci, usou dados do Telescópio Espacial Hubble e do Observatório de Raios X Chandra para identificar dois colapsos verticais pela primeira vez. Candidatos a buracos negros, os valores de z de redshift de esses dois candidatos são maiores que 6 e são consistentes com as características espectrais desse tipo de corpo celeste. Prevê-se que essas fontes tenham um excesso significativo de emissão infravermelha quando comparadas a outras fontes com desvios para o vermelho mais altos. Observações futuras serão essenciais para determinar as propriedades desses candidatos a buracos negros.
Diferenças de outros buracos negros
Deve-se notar que os buracos negros primordiais são formados devido a uma queda repentina direta de energia, matéria ionizada ou ambos, enquanto os buracos negros de colapso direto são formados devido ao colapso direto de nuvens de gás densas e grandes. Além disso, buracos negros formados por estrelas de terceira geração não são classificados como buracos negros de colapso "direto".
A descoberta de buracos negros de colapso vertical, sem dúvida, fornece uma nova perspectiva para o estudo da estrutura da galáxia e da formação de buracos negros no universo primitivo, o que levará a um pensamento mais profundo: quais outras incógnitas estão ocultas no universo durante a formação de buracos negros de colapso vertical? buracos? Como resolver o mistério?A existência de buracos negros de colapso vertical não apenas explica a formação de buracos negros no universo primitivo, mas também questiona nossa compreensão da evolução do universo.
